JP2018087885A - 偏光制御装置および偏光制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成できる低コストかつ小型の偏光制御装置および偏光制御方法を提供する。【解決手段】偏光制御装置１は、光軸に沿って配置された３つのホモジニアス配向の液晶光学素子ＬＣ１〜ＬＣ３（総称してＬＣ）を備える。液晶光学素子ＬＣの各々は、位相および偏光状態を制御できる放射状に８分割された制御領域Ｊを有し、各制御領域Ｊは、他の液晶光学素子ＬＣの各制御領域Ｊと互いに対応するように光軸に沿って配置されている。各制御領域Ｊは、入射する光の偏光状態をジョーンズ行列に従って変換する。液晶光学素子ＬＣ１は入射された直線偏光の位相を調整し、液晶光学素子ＬＣ２は直線偏光を楕円偏光に変換し、液晶光学素子ＬＣ３は楕円偏光を他の偏光状態に変換する。【選択図】図１

Description

本発明は、広がりを有して入射する入射光を光軸交差面の各部位毎に制御された偏光状態に変換して出射する偏光制御装置および偏光制御方法に関する。

光のビーム横断面にビーム中心に対して放射状の偏光分布をもつラジアル偏光ビーム、および同心円状の偏光分布をもつアジマス偏光ビームの２種類の偏光ビームが実用化されている。一般に、光のビーム横断面に種々の偏光状態が分布する偏光ビーム（ベクトルビームと呼ばれる）は、通常の一様偏光のビームにはない種々の機能を有し、レーザ加工やレーザ顕微鏡に適用される。このような偏光ビームを集光させると、より小さい焦点の形成、集光軸に沿った光電場の形成（Ｚ偏光）等、通常の偏光ビームでは実現できない種々の機能を有する光を焦点位置に形成できる。このような偏光ビームは、分光分析、光ピンセット、レーザ加工などに応用されている。近年ではさらに複雑な位相分布と偏光分布の生成により、収差補正や偏光計測などへの応用が行われている。

ビームを集光して形成した焦点の特性は、集光前のビーム横断面内の位相と偏光分布の影響を受ける。フォーカスエンジニアリングは、集光前のビームの位相分布や偏光分布を制御し調整することにより、様々な付加機能を生み出す技術である。この技術に関連して、透明基板間に液晶を封入し、放射状に８分割した液晶を制御用の電極を備えて形成した、ラジアル偏光生成用の偏光面回転素子を有する偏光制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ビーム横断面内の位相や偏光分布を制御し調整するため、放射状に８分割した電極を有する２枚の液晶素子と１枚のλ／４板を順に積重ねて形成した偏光制御装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この装置は、１枚目の液晶素子で位相を調整し、２枚目の液晶素子と最後のλ／４板とで、各電極に対応する部位を透過する光の偏光面を個別に回転させる。この装置は、各部位ごとに偏光面の回転を自在に制御することができ、ラジアル偏光、アジマス偏光、直線偏光などの偏光パターンをビーム横断面内に生成可能とされている。

国際公開第２０１１／１０５６１９号

ケイ・ヨシキ他（Ｋ．Ｙｏｓｈｉｋｉ ｅｔ ａｌ．）著 「セコンド−ハーモニック−ジェネレーション マイクロスコープ ユージング エイトセグメント−ポーラリゼーション−モード コンバータ トゥー オブザーブ スリー−ディメンショナル モレキュラ オリエンテーション（Ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ−ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｕｓｉｎｇ ｅｉｇｈｔ−ｓｅｇｍｅｎｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）」、オプティックス レターズ（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．）、Ｖｏｌ．３２，ｐｐ．１６８０−１６８２（２００７）

しかしながら、上述した特許文献１や非特許文献１に示されるような偏光制御装置は、いずれも、直線偏光を直線偏光のまま回転させてラジアル偏光やアジマス偏光とするものであり、光軸交差面内に任意の偏光状態の光を分布させることができない。近年のフォーカスエンジニアリングにおいて、有用な位相分布と偏光分布が理論的に予測される一方で、それらを実現する光学素子としての偏光制御装置の開発や光学機器への実装は、あまり進んでいない。既設の光学機器に実装可能な現状の光学素子は、理論計算が要求する複雑な位相分布や偏光分布をほとんど実現することができず、逆にこれらの分布を実現できる偏光制御装置は、高価であり、また小型化の余地がなく、組込用途に適していない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成できる低コストかつ小型の偏光制御装置および偏光制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明の偏光制御装置は、光軸に沿って入射する入射光を、その光軸交差面の各部位ごとに偏光状態を制御された出射光に変換して出射する偏光制御装置において、光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、光学素子の各々は、光学素子の各々に入射する光をその光軸交差面の各部位において位相および偏光状態を制御できるようにするために、複数の制御領域に分割され、光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、制御領域の各々は、入射する光の偏光状態をジョーンズ行列に従って変換することを特徴とする。

本発明の偏光制御方法は、上記偏光制御装置を用いて、入射光を光軸交差面の各部位ごとに制御された偏光状態に変換して出射する偏光制御方法において、光学素子を光軸に沿って３つ備え、光の入射側から１番目の光学素子に、直線偏光したレーザ光を入射させ、レーザ光が３つの光学素子の制御領域を順次通過する際に、１番目の光学素子においては、レーザ光に対し、制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、光の入射側から２番目の光学素子においては、レーザ光の偏光状態を、制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、光の入射側から３番目の光学素子においては、レーザ光の偏光状態を、制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換し、３番目の光学素子の制御領域のそれぞれにおいて楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を得ることを特徴とする。

本発明の偏光制御装置および偏光制御方法によれば、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成することができる。

本発明の一実施形態に係る偏光制御装置の模式的分解斜視図。 （ａ）は同装置に用いられる液晶光学素子の断面図、（ｂ）は（ａ）の液晶光学素子に電圧を印加したときの断面図。 （ａ）は同装置の液晶光学素子を順次通過する光の偏光状態の変化を説明するブロック図、（ｂ）は（ａ）の偏光状態の変化をジョーンズ法によって説明する図。 図３（ａ）（ｂ）に示される光ｃのジョーンズベクトルの成分を説明する図。 同装置を用いる本発明の一実施形態に係る偏光制御方法を説明するフローチャート。 同装置および同方法によって光軸交差面の各部位に生成可能な偏光状態を示すマップ図。 同装置および同方法によって生成可能な偏光状態を１２ビットの分解能でジョーンズ法によって数値計算し、その離散的な計算結果を楕円方位角と消光比の関係図に示し、ＬＣ２による位相差ηを重ねて濃淡表示した図。 図７のＬＣ２による位相差ηに替えて、ＬＣ３による位相差ζを濃淡表示した図。 図７と同様の１２ビットの計算結果に、消光比が２，５，１０の点またはその消光比に近い値を持つ点を重ねてプロットした図。 （ａ）は同装置によるアジマス偏光の生成を説明する模式的な斜視図、（ｂ）は同装置による他の偏光の生成を説明する模式的な斜視図。 他の実施形態に係る偏光制御装置の液晶光学素子における制御領域の形成例を示す平面図。 （ａ）は他の実施形態に係る偏光制御装置の液晶光学素子を制御領域のアレイ配置によって形成する例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の制御領域を組み合わせて８分割扇形の制御領域を形成する例を示す平面図。 他の実施形態に係る偏光制御方法を説明するフローチャート。 偏光制御装置の使用例を示す側面図。 ラジアル偏光を収束させて形成するＺ偏光を説明する斜視図。 Ｚ偏光の使用例を説明する断面図。 媒質の影響を説明する断面図。 媒質の影響を相殺して試料観察を行う例を説明する断面図。 一実施形態に係る偏光制御システムのブロック図。 偏光制御装置を反射型の顕微鏡に適用する例を示す側面図。 （ａ）は偏光制御装置における光の伝搬方向に対する対称性を説明する側面図、（ｂ）は偏光制御装置を偏光状態の検出に適用する例を示す側面図。

（偏光制御装置）
以下、本発明の実施形態に係る偏光制御装置および偏光制御方法について、図面を参照して説明する。図１は、右手直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向に直線偏光して光軸ｚ方向に進むビームを、ラジアル偏光ビームに変換して出射する偏光制御装置１を示す。偏光制御装置１は、３つの液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３（総称して、液晶光学素子ＬＣ）を光軸ｚに沿って順番に備えている。液晶光学素子ＬＣの各々は、ホモジニアス配向の液晶素子であり、液晶の配向方向αとこれに直交する方向βの２方向における実効屈折率Ｎ_α、Ｎ_βを、互いに異なる値となるように制御することができる（図２を参照して後述）。

光の入射側から１番目と３番目の液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ３は、配向方向αがｘ軸方向となるように配置されている。言い換えると、入射光は、その直線偏光の方向が配向方向αに一致するように入射される。２番目の液晶光学素子ＬＣ２は、その配向方向αが液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ３の配向方向αに対して角度θ傾くように、配置されている。角度θは、本実施形態ではθ＝４５°である。

液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々は、放射状に８分割した制御領域Ｊを有している。制御領域Ｊの各々は、それぞれ独立に、入射する光の位相および偏光状態を制御できる。液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々の各制御領域Ｊは、光軸ｚに沿って互いに対応するように、配置されている。すなわち、ある液晶光学素子ＬＣのある制御領域Ｊを光軸に沿って平行移動させると、他の液晶光学素子ＬＣの制御領域Ｊに重なるように、各制御領域Ｊが形成され、かつ、各液晶光学素子ＬＣが配置されている。このような制御領域Ｊの各々は、入射する光の位相や偏光状態を、ジョーンズ行列に従って、他の位相や偏光状態に変換することができる(図３参照)。

従って、偏光制御装置１に入射する光は、液晶光学素子ＬＣの各々における光軸交差面の各部位に位置する制御領域Ｊによって、個々に、位相および偏光状態が制御される。偏光制御装置１は、入射光の光軸交差面ｚ＝ｚ_ｉｎにおいて全ての電界ベクトルＥ_ｉｎがｘ軸方向を向いた直線偏光が入射されると、出射光のある光軸交差面ｚ＝ｚ_ｏｕｔにおいて電界ベクトルＥ_ｏｕｔが半径方向を向いたラジアル偏光ビームを生成する。このような位相および偏光状態の変換のため、入射光には、液晶光学素子ＬＣ１の各制御領域Ｊにおいて個々に所定の位相差（位相遅れ）ξが与えられる。

次の液晶光学素子ＬＣ２では、偏光方向ｘと配向方向αとの間の回転角度θの存在と、各制御領域Ｊにおいて個々に付与される所定の位相差（位相遅れ）ηによって、各制御領域Ｊごとに直線偏光から楕円偏光に変換される。最後の液晶光学素子ＬＣ３では、各制御領域Ｊにおいて個々に付与される所定の位相差（位相遅れ）ζによって、各制御領域Ｊごとに楕円偏光から他の所定の偏光状態に変換される。このような各制御領域Ｊごとに実行される位相と偏光状態の変換については、図３、図４を参照して詳述する。

図２は、ホモジニアス配向の液晶光学素子ＬＣの構造例と動作原理を示す。図２（ａ）に示すように、液晶光学素子ＬＣは、２枚の透明基板２１の内部に液晶を封止して形成されている。透明基板２１の内面には、制御領域Ｊを規定する形状を有する互いに絶縁された複数の透明電極２２が、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）膜によって、形成されている。また、透明基板２１の内面には、透明電極２２の全体を覆うように塗布された透明の配向膜２３が形成されている。配向膜２３の表面には、ラビング処理によって、配向用の細かい溝が一方向に形成され、異方性が付与されている。その溝の方向、すなわち異方性の方向が、配向方向αとなる。配向方向αは、両側の配向膜２３，２３の全面において同じである。液晶の分子Ｍは、細長い形状を有している。透明基板２１，２１間に封止された液晶は、透明電極２２，２２間に電圧が印加されていない状態では、分子Ｍが長手方向を配向方向αに向けて一様に整列した状態、すなわちホモジニアス配向の状態にある。

液晶光学素子ＬＣにおいて、３つの方向α，γ，βが定義される。これらは、上述の配向方向α、透明基板２１に直交する光軸方向γ（光軸ｚに対応）、および方向α，γの両方に直交する方向βである。配向方向αは低速軸、方向βは高速軸と呼ばれる。これは、液晶光学素子ＬＣが複屈折率の物質と見做されることによる。液晶分子Ｍは、細長い形状を有することから、誘電異方性と屈折率異方性とを有し、分子長軸方向の屈折率ｎ_ｅが分子長軸に直交する方向の屈折率ｎ_ｏよりも大きい（ｎ_ｏ＜ｎ_ｅ）。

図２（ｂ）に示すように、対向する透明電極２２，２２間に電圧を印加すると、液晶分子Ｍが誘電異方性を有することにより、液晶分子Ｍが電界方向（方向γ）に傾く。なお、配向膜２３近傍の液晶分子は、配向方向αに留める束縛力を受けており、傾かない。配向方向α（低速軸方向）の平均屈折率すなわち実効屈折率Ｎ_αは、電界強度の増加と共に液晶分子Ｍの傾きが０°から９０°に近づくことにより、ｎ_ｅから減少してｎ_ｏに近づく。方向β（高速軸方向）の実効屈折率Ｎ_βは、液晶分子の傾きにかかわらずｎ_ｏのままである。そこで、液晶光学素子ＬＣは、可変複屈折率構造体と見做され、波数をｋ、液晶層厚をｗとすると、位相差を０からｋ（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）ｗに近づける位相変調が可能な素子として用いることができる。液晶光学素子ＬＣは、配向方向αを低速軸とし、その複屈折量を電圧によって制御できるアクティブな波長板となる。

次に、偏光制御装置１の動作を、各制御領域Ｊにおける位相と偏光状態の変換に注目して、ジョーンズの発明による計算方法、すなわちジョーンズ法を用いて説明する。ジョーンズ法では、偏光をベクトル（ジョーンズベクトル）で記述し、光学素子を行列（ジョーンズ行列）で記述する。光学素子に入射した入射光が光学素子を通過して出射光となるとき、出射光の偏光が、光学素子の行列と入射光のベクトルの積として求められる。つまり、入射する光の位相や偏光状態は、ジョーンズ行列に従って、他の位相状態や偏光状態に変換される。

ジョーンズ法の対象となる光は完全偏光に限られ、光学素子は線形光学素子に限られる。偏光制御装置１では、各制御領域Ｊが個別の光学素子として区別される。光軸ｚ方向に沿って配列された３つで１組の一連の制御領域Ｊについて、ジョーンズ法が適用される。他の一連の制御領域Ｊについて、それぞれジョーンズ法が適用される。偏光制御装置１では、ジョーンズ法が適用される一連の制御領域Ｊが、全部で８組である。

図３（ａ）（ｂ）は、偏光制御装置１における光軸ｚに沿ったある１組の制御領域について、ジョーンズ法の行列とベクトルを示している。行列Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ、液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々から互いに対応する個別の「光学素子」として１つづつ選択された制御領域Ｊを表す。ベクトルａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれ、液晶光学素子ＬＣ１への入射光ａ、液晶光学素子ＬＣ１から出射して液晶光学素子ＬＣ２に入射する光ｂ、液晶光学素子ＬＣ２から出射して液晶光学素子ＬＣ３へ入射する光ｃ、液晶光学素子ＬＣ３からの出射光ｄを表す。

ジョーンズ行列Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ下式（１）（２）（３）で表される。行列Ａは、液晶光学素子ＬＣ１の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ａは、ｘ軸方向すなわち配向方向α（電圧によって屈折率を制御できる可制御軸方向）の光電場にξの位相遅れを与える位相差板として機能する。なお、ジョーンズベクトルは、光のｘ方向の電界と、ｙ方向の電界に対応する量を、それぞれｘ成分、ｙ成分とするベクトルである。

行列Ｂは、液晶光学素子ＬＣ２の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ｂは、配向方向α（可制御軸）がｘ軸から角度θ傾いた位相差板であり、可制御軸方向の光電場に位相差ηを与える。行列Ｂは、位相差板としての行列Ｍと、位相差板Ｍを角度θ傾ける回転行列Ｒ（θ）とを用いて、Ｂ＝Ｒ（−θ）ＭＲ（θ）と表される。行列Ｂは、直線偏光を楕円偏光に変換する。

行列Ｃは、液晶光学素子ＬＣ３の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ｃは、行列Ａと同様であり、位相差ζを与えて、楕円偏光を、他の偏光状態に変換する。

ジョーンズベクトルａ，ｂは、それぞれ下式（４）（５）で表される。液晶光学素子ＬＣ１への入射光ａは、各制御領域Ｊに共通であり、ｘ方向（配向方向α）の直線偏光である。ベクトルｂは、液晶光学素子ＬＣ２のある制御領域Ｊへの入射光ｂであり、液晶光学素子ＬＣ１からの出射光であり、ｂ＝Ａａである。ベクトルｂは、位相がξ遅れたｘ軸方向の直線偏光（水平偏光）である。

ジョーンズベクトルｃ，ｄは、それぞれ下式（６）（７）で表される。

液晶光学素子ＬＣ２の回転角度が、θ＝４５°の場合、ベクトルｃ，ｄはそれぞれ下式（８）（９）で表される。

図４を参照して、θ＝４５°の場合の上式（８）のベクトルｃ、すなわち液晶光学素子ＬＣ２からの出射光ｃについて説明する。ベクトルｃの水平成分と垂直成分、すなわちｘ成分（１＋ｅ^−ｉη）とｙ成分（１−ｅ^−ｉη）が、位相空間上に示されている。位相差ηが増加すればするほど、ｘ成分およびｙ成分ともに位相が遅れ、各成分を表示するベクトルの長さが変化する。ｘ成分とｙ成分の位相差は常にπ／２である（２つの成分ベクトルが互いに直交している）。その結果、位相差ηが、０，π／２，π，３π／２，２πと変化するに従い、出射光ｃが直線偏光（水平方向）→（楕円偏光（ＣＷ））→円偏光（ＣＷ）→（楕円偏光（ＣＷ））→直線偏光（垂直方向）→（楕円偏光（ＣＣＷ））→円偏光（ＣＣＷ）→（楕円偏光（ＣＣＷ））→直線偏光（水平方向）の順に変化する。

次に、θ＝４５°の場合の上式（９）のベクトルｄ、すなわち液晶光学素子ＬＣ３からの出射光ｄについて説明する。位相差ζの変化に伴い、ｘ成分とｙ成分の位相が変わる。すなわち、入射光cを一般に楕円偏光とすると，位相差ζが、０，π／４，π／２，３π／４，πと変化するに従い、出射光ｄが楕円偏光（dと同じ回転方向）→直線偏光（-η／２方向）→楕円偏光（逆回転）→直線偏光（η／２方向）→楕円偏光（dと同じ回転方向）と変化する。楕円偏光の長軸方向は、位相差ζに応じて随時変わる。楕円偏光の消光比すなわち楕円率の逆数は、最高で∞（直線偏光）、最低で１／ｔａｎ（η／２）となる。

なお、従来の偏光制御装置は、位相差ζを制御できる液晶光学素子ＬＣ３を用いるものではなく、位相差ζが常にπ／２に固定された波長板を用いているので、得られる出射光ｄは、直線偏光のままである。

（偏光制御方法）
次に、図５を参照して偏光制御方法を説明する。この偏光制御方法は、図１に示した偏光制御装置を用いて、直線偏光の入射光を光軸交差面の各部位ごとに制御された偏光状態に変換して出射する方法である。

位相と偏光状態とを変換できる複数の制御領域Ｊ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを有する３つの液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３を、光軸ｚに沿って、この順番で配置する（Ｓ１）。この実施形態では、ｎ＝８である。

光の入射側から１番目の液晶光学素子ＬＣ１の各制御領域Ｊ_１ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを、それぞれ、入射する光に所定の位相差ξ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるように設定する（Ｓ２）。

直線偏光を所定の楕円偏光に変換するため、光の入射側から２番目の液晶光学素子ＬＣ２を角度θ回転して配置し、各制御領域Ｊ_２ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを、入射する光に所定の位相差η^ｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるように設定する（Ｓ３）。この実施形態では、θ＝４５°である。

楕円偏光を所定の他の偏光状態にするため、光の入射側から３番目の液晶光学素子ＬＣ３の各制御領域Ｊ_３ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを、入射する光に所定の位相差ζ^ｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるにように設定する（Ｓ４）。

光の入射側から１番目の液晶光学素子ＬＣ１に、直線偏光したレーザ光Ｒ（入射光）を入射させる（Ｓ５）。

液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３間の対応する制御領域Ｊ_１ ^ｊ，Ｊ_２ ^ｊ，Ｊ_３ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎによって、入射する光の偏光状態を、順次、直線偏光→楕円偏光→他の状態へと変換する（Ｓ６）。

光の入射側から３番目の液晶光学素子ＬＣ３から、光軸交差面ｚ＝ｚ_outの各部位である制御領域Ｊ_３ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎごとに、偏光状態を変換するため楕円率と偏光方向が任意に制御された光（出射光）を出射する（Ｓ７）。

本実施形態の装置と方法によれば、液晶光学素子ＬＣ１は位相を、液晶光学素子ＬＣ２，ＬＣ３は偏光を、ジョーンズ法に従って制御するので、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成することができる。すなわち、本実施形態によれば、ジョーンズ法で記述できる全ての位相・偏光状態をエンコードでき、その結果、任意の楕円率、任意の長軸方向をもった楕円偏光、直線偏光をビーム断面内に任意の分布で生成することができる。

また、ホモジニアス配向の液晶光学素子ＬＣは、液晶ディスプレイの製造技術として完成された技術を用いて容易に製造することができ、例えば、３枚の液晶光学素子ＬＣを重ねて３ｍｍ以下の厚みに形成することができる。従って、低コストかつ小型の偏光制御装置を実現でき、既存の光学機器に対し容易に着脱することができる。また、小型化が容易なことにより、例えば、顕微鏡の集光レンズの入射瞳位置に収まる程小型の装置とすることができ、既設の光学機器の僅かな隙間に実装することができる。

制御領域への分割、すなわち、透明電極のセグメント分割は、放射状８分割に限られず、必要とされる偏光分布の形状および複雑さに応じて、同心円方向、放射方向等、適切に設定して配置することができる。放射状８分割では、擬似的なラジアル偏光、およびアジマス偏光を生成する用途に適しているが、原理的に液晶ディスプレイと同程度に微細化する余地があり、必要に応じてほぼ任意の分布を形成することができる。

（実施例）
図６乃至図９を参照して、偏光制御装置１および偏光制御方法の実施例として、計算結果を説明する。図６は、偏光制御装置１からの出射光の光軸交差面における各制御領域に対応する各部位に生成可能な偏光状態を光電場の軌跡で示す。図中の実線は右回り（ＣＷ）円偏光、破線は左回り（ＣＣＷ）円偏光を示す。

ここで、位相差η，ζを制御して任意の楕円方位角Φと楕円率Ａ＝ｔａｎχを有する偏光を実現できることを説明する。結果だけを示すと、楕円方位角Φと楕円率Ａ＝ｔａｎχは、下式（１０）（１１）で表される。楕円方位角Φと楕円率Ａの関係は、下式（１２）で表される。また、下式（１３）は、楕円率Ａであるために、Ｂの値が一定であること、という制限を表す。

上式（１２）（１３）から位相差ηと楕円方位角Φの取り得る範囲を検証することにより、図６に示すように、位相差η，ζの値を制御して、いかなる楕円率でも自由に制御できることが分かる。この偏光制御装置１および偏光制御方法によれば、液晶光学素子ＬＣ２において位相差ηを０°から３６０°まで変化させ、液晶光学素子ＬＣ３において位相差ζを０°から１８０°まで変化させることにより、任意の完全偏光を実現することができる。

このような任意の完全偏光（すなわち、無偏光ではなく、ランダム偏光でもなく、ジョーンズ法に従って変換可能な偏光）が、出射光の光軸交差面における各制御領域に対応する各部位において実現される。そこで、各液晶光学素子ＬＣの各制御領域Ｊ_ｉ ^ｊ，ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜８における、位相差ξ^ｊ，η^ｊ，ζ^ｊを個別に制御することにより、入射光である直線偏光から、光軸交差面の各部位ごとに制御され所望の偏光状態に変換された出射光を生成することができる。従来の偏光制御装置は、位相差ηを０°から３６０°まで変化させるものの、位相差ζをζ＝９０°に固定したものである。これは、Φ＝η／２，ｔａｎχ＝０の場合に対応し、直線偏光を回転させることしか実現できていない。

図６に示されるように、楕円率のみを変化させる場合は、位相差ζ＝０°、位相差η＝０°〜３６０°とすることで実現できる。この場合、液晶光学素子ＬＣ２の位相差ηのみで制御されているのは偶然であり、一般には、液晶光学素子ＬＣ２，ＬＣ３の位相差η，ζの両方を制御する必要がある。

図７、図８は、それぞれ、楕円方位角Φと消光比Ｒ_ｅｘの関係における位相差ηの関与の様子と、位相差ζの関与の様子とを示す。位相差η，ζをそれぞれ１２ビットの分解能で制御すると、組み合わせ数は、２の２４乗個（２＾２４個）となり、それぞれ異なった偏光状態が得られる。偏光状態は、楕円方位角Φと消光比Ｒ_ｅｘ（楕円率の逆数、Ｒ_ｅｘ＝１／ｔａｎχ）の組み合わせで決まる。図７、図８に示される図形は、２＾２４個の点をプロットした同じ点描画である。図７、図８は、それぞれ位相差η，ζの値を重ねて濃淡表示した点が異なる。

図７，図８から分かるように、円偏光から直線偏光に近づくとき、消光比１０〜１００からいきなり無限大に近い消光比（直線偏光）に飛んでいる。これは、１２ビットの分解能の限界を示し、ビット数を上げると、より高い消光比を達成できる。偏光の用途によっては、この消光比の値（１０なのか１００なのか１０００なのか）如何で結果が変わることがある。

図９は、上述の図７と同様の点描画を８ビットの分解能で作成し、消光比Ｒ_ｅｘが２，５，１０の値となる点またはその値に近い値を持つ点を選択して、大きな点でプロットしたものである。つまり、消光比を一定にして偏光の楕円方位角Φを回転させようとするときに、辿るべきプロット点を示す。この図により、離散化の影響（離散化による量子化ノイズの発生）を見ることができる。特に楕円偏光の消光比が高い場合に、離散化の影響が顕著である。例えば、楕円方位角Φによっては、適したプロット点がない場合に、なるべく消光比が近い点を選択するというルールで選択すると、消光比が高くなるほど精確に消光比を保ったまま楕円方位角Φを回転させることが難しくなる。この場合、必要に応じて位相差η，ζの分解能を挙げればよく、位相差η，ζの分解能は、液晶光学素子ＬＣの制御領域Ｊに印加する電圧の分解能を制御することにより、容易に制御することができる。

（他の実施形態）
図１０（ａ）は、出射光の偏光状態をアジマス偏光とした場合の偏光制御装置および偏光制御方法の実施形態を示す。また、図１０（ｂ）は、出射光の光軸交差面の各部位ごとに任意の楕円偏光を分布させる偏光状態とした場合の偏光制御装置および偏光制御方法の実施形態を示す。これらの出射光は、位相差ξ，η，ζを各制御領域ごとに制御することにより生成される。

図１１の液晶光学素子ＬＣは、光軸を中心とする放射状に、かつ、円環状に形成された制御領域Ｊを備えている。このような液晶光学素子ＬＣを用いると、放射状に８分割されたセクタ状の制御領域を備える液晶光学素子を用いる場合よりも、より細かく制御した偏光状態分布の出射光が得られる。

図１２（ａ）の液晶光学素子ＬＣは、同じ素子構造を有する制御領域Ｊをアレイ状に配置して構成されている。この液晶光学素子ＬＣは、例えば、図１２（ｂ）に示すように、隣接する複数の制御領域Ｊをまとめて、放射状に８分割されたセクタ状の合成制御領域ΣＪとすることができる。また、この液晶光学素子ＬＣは、上述した図１１の円環断片状の制御領域Ｊや、他の任意形状の制御領域を容易に形成することができる。

（偏光制御方法の他の実施形態）
図１３は、より一般的な、偏光制御方法の実施形態を示す。この実施形態は、３以上の任意数の光学素子を用いるものである。まず、複数個（例えばｍ個、ただし３≦ｍ）の光学素子Ｌ_ｉを、光軸に沿って配置する（＃１）。複数の光学素子Ｌの各々は、入射光の位相と偏光状態をジョーンズ法に基づいて変換する複数個（例えばｎ個）の制御領域Ｊ_ｉ ^ｊを有している。

次に、各光学素子Ｌ_ｉ，ｉ＝１〜ｍについて実行する光学素子ループ（ＬＰ１，ＥＬＰ１）において、各制御領域数Ｊ_ｉ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎについて制御領域設定ループ（ＬＰ２，ＥＬＰ２）を実行する。制御領域設定ループ（ＬＰ２，ＥＬＰ２）では、光学素子Ｌ_ｉの回転位置と、制御領域Ｊ_ｉ ^ｊによる位相制御量とを、所定のジョーンズ行列Ａ_ｉ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎに対応させて設定する（＃２）。

各ループ（ＬＰ１，ＥＬＰ１），（ＬＰ２，ＥＬＰ２）が完了すると、最初（ｉ＝１）の光学素子Ｌ_１に、直線偏光したレーザ光Ｒを入射させ、各制御領域Ｊ_１ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎによる偏光状態の変換を行う（＃３）。すなわち、各制御領域Ｊ_１ ^ｊは、入射光ｒ_１ ^ｊを、ジョーンズ行列Ａ_１ ^ｊに従って変換し、出射光ｒ_２ ^ｊ＝Ａ_１ ^ｊ・ｒ_１ ^ｉ を生成して出射する（ｊ＝１〜ｎ）。

次に、隣接する光学素子Ｌ_ｉ ，Ｌ_ｉ＋１ 間の、互いに対応する制御領域Ｊ_ｉ ^ｊ ，Ｊ_ｉ＋１ ^ｊ ，ｊ＝１〜ｎによって、入射する光の位相と偏光状態を線形変換する（＃４）。すなわち、光学素子Ｌ_ｉ において、出射光ｒ_ｉ＋１ ^ｊ＝Ａ_ｉ ^ｊ・ｒ_ｉ ^ｉを生成する（ｉ＝２〜ｍ，ｊ＝１〜ｎ）。

最後（ｉ＝ｍ）の光学素子Ｌ_ｍから、光軸交差面ｚ＝ｚ_ｍの各部位ｚ_ｍ ^ｊごとに、偏光状態を制御された、すなわち楕円率と偏光方向が任意に制御された、光ｒ_ｍ＋１ ^ｊ，ｊ＝１〜ｎ（出射光）を、出射する（＃５）。

（偏光制御装置の使用例）
図１４、図１５、図１６は、偏光制御装置１の使用例を示す。図１４に示すように、偏光制御装置１は、試料９を観測する透過型の顕微鏡の対物レンズ９０の直前に、着脱式に挿入して用いることができる。偏光制御装置１には、不図示の制御用装置が接続される。レーザ光Ｒは、偏光制御装置１と対物レンズ９０を通して集光され、上方から試料９に照射される。試料９から発せられる物体光は、試料９の下方に配置した検出器９１によって記録され、また、モニタによって観察される。

図１５に示すように、偏光制御装置１は、例えば、ラジアル偏光を出力することができる。ラジアル偏光は、対物レンズ９０によって集光されることにより、集光点に向かう各光束の電界Ｅｒが互いに重ね合わされ、集光点において、光軸方向の電界Ｅｚとして合成される。このように集光した光はＺ偏光と呼ばれる。電界Ｅｚの回りにリング状に磁界Ｈが存在する。

図１６に示すように、Ｚ偏光は、試料９中の分子９ｍの立体的な配向を調べるプローブとして効果的に用いられる。例えば、試料９への入射光Ｒｉｎと、試料９から放射される物体光Ｒｏｕｔとを比較することにより、分子９ｍの光軸方向の配向成分の情報を得ることができる。

（偏光制御装置の応用例）
図１７（ａ）に示すように、偏光制御装置１からの出射光が対物レンズ９０を通過し光学的異方性を有する媒体９９を通過した後に、観察目的の試料９に照射される場合、試料９中の分子９ｍに所定のＺ偏光を照射することができない。これは、所定の偏光における電界Ｅｒが、媒体９９からの影響を受けた電界Ｅｘに変質してしまうことによる。

図１７（ｂ）に示すように、例えば、媒体９９が、複屈折層９ａ、液晶層９ｂ、複屈折層９ｃなどで構成されている場合、媒体９９への入射光Ｒｉｎの入射方向ごとに媒体９９からの擾乱を受けてしまう。収束光中の各光束は全て進行方向が異なるので、例えば、液晶層９ｂにおける液晶分子Ｍが一様に配向していると、液晶分子Ｍによる屈折率異方性の影響を受けることになる。

図１８に示すように、偏光制御装置１は、媒体９９による擾乱を補償して、電界Ｅｚを有するＺ偏光を試料９の位置に生成できる。これは、偏光制御装置１が、出射光の光軸交差面の各部位ごとに偏光状態Ｐｓを制御した出射光を生成できることによる。偏光制御装置１は、この特性を活かして、いわば天体観測における補償光学の手順で、媒体９９による擾乱を相殺するように各制御領域を制御して擾乱の補償を実現できる。

例えば、偏光制御装置１から目的の試料９上の照射点に至るまでの光路上に介在する媒体９９の情報を取得し、偏光制御装置１からの出射光を、光路上の屈折率による影響を相殺するように制御した偏光状態Ｐｓにして生成すればよい。媒体９９の情報は、例えば複屈折率分布である。媒体９９の影響を相殺するための情報は、媒体９９のみを透過した偏光を測定することによって得てもよい。

このように、偏光を使用する場所において所定の偏光を存在させるために、補償するための処理を事前に行う方法は、出射光を収束させる場合に限らず、任意の場面で適用することができる。すなわち、出射光が、光学的異方性を有する媒体を通過した後に用いられる場合、制御領域Ｊに対し、媒体による偏光状態の変化を相殺する補正の制御を加えることができる。

上述のように、対物レンズへの入射偏光であるラジアル偏光に、予め偏光、位相分布に補正を加えた位相、偏光分布を補正パターンとして生成することによって、焦点において所定の偏光制御を行うことができる。補正パターンの自由度は無限であり、あらゆる偏光状態を生成できなければならない。本偏光制御装置１によれば、補正パターンの自由度に対応することができる。顕微観察を例にして、補正パターンを生成して適用する技術を説明したが、この技術は、光路上に偏光、位相を乱す物質が介在しうる全ての応用技術に適用することができる。

（偏光制御システム）
図１９は、偏光制御システム１００を示す。偏光制御システム１００は、偏光制御装置１と、制御部１１と、入出力部１２と、データベース１３とを備えている。

偏光制御装置１は、偏光素子、すなわち入射する光の位相と偏光状態を操作した光を出射する素子である、３個以上のｍ個の光学素子Ｌ１，Ｌ２，・・，Ｌｍをケース１０に収納して構成されている。各光学素子Ｌ_ｉは、それぞれ制御領域Ｊ_ｉ ^１，Ｊ_ｉ ^２，・・，Ｊ_ｉ ^ｎを有している。各光学素子Ｌ_ｉは、光軸となる所定の軸、例えばケース１０の中心軸回りに、互いに相対的な所定の回転角度を有するようにケース１０内に配置されている。この回転位置が固定された状態で、各光学素子Ｌ_ｉ，ｉ＝１〜ｍに属する任意の一連の制御領域、例えば１番目の各制御領域Ｊ_ｉ ^１，ｉ＝１〜ｍは、ケース１０の中心軸方向に沿って直線的に配置されている。他の各制御領域Ｊ_ｉ ^ｊ，ｉ＝１〜ｍ，ｊ≠１についても同様である。

各光学素子Ｌ_ｉは、例えば液晶光学素子であり、各制御領域Ｊ_ｉ ^ｊを電気的に制御するためのフレキシブルケーブル１０ａとコネクタ１０ｂとを介して、制御部１１に接続されている。

制御部１１は、一般的な、ＣＰＵ、ＯＳ、メモリ、画像処理アクセラレータ等を備えた、小型のコンピュータである。メモリには、偏光制御装置１を制御するために必要なソフトウエアが記憶されている。入出力部１２は、ユーザが偏光制御装置１と制御部１１を操作するために必要な、ディスプレイ、マウス、補助記録装置などの一般的な機器を備えている。

データベース１３には、所定の偏光状態の出射光が得られるように各制御領域Ｊ_ｉ ^ｊを制御するため必要な制御用データ、媒体の影響を補償するために必要なデータ、偏光制御装置１を較正するために必要なデータなどが保存されている。

（偏光制御装置の他の使用例）
図２０は、偏光制御装置１の他の使用例を示す。この偏光制御装置１は、試料９を観測する反射型の顕微鏡に用いられている。この顕微鏡は、対物レンズ９０、ハーフミラーＨＭ、集光レンズ９２、遮光板９３、検出器９１を備えている。ハーフミラーＨＭは、試料９を照明するレーザ光Ｒの光路上であって対物レンズ９０の手前に配置され、対物レンズ９０を通って逆行してくる試料９からの反射光を、集光レンズ９２と遮光板９３を通して検出器９１に送る。

偏光制御装置１は、レーザ光Ｒの光路上であってハーフミラーＨＭの手前に、着脱式に挿入配置されている。偏光制御装置１は、液晶光学素子ＬＣを用いるものであり、不図示の制御用装置が接続される。

次に、図２１を参照して、偏光制御装置１の特性と他の使用例を説明する。図２１（ａ）において、レーザ光Ｒの光路上に、ハーフミラーＨＭ、直線偏光を透過する偏光素子Ｌ０、偏光制御装置１、対物レンズ９０が配置されている。対物レンズ９０の焦点位置には、試料９が配置されている。ここで、試料９の表面は、偏光に変化を与えない反射面が想定されている。レーザ光Ｒは、ハーフミラーＨＭと偏光素子Ｌ０を透過して、偏光制御装置１の液晶光学素子ＬＣ１の配向方向に沿った直線偏光ａ１とされる。直線偏光ａ１は、偏光制御装置１の制御状態に基づいて、任意の偏光状態に制御された偏光ａ２なる。偏光ａ２は、対物レンズ９０を通って試料９で反射され、対物レンズ９０を逆行した状態で、偏光ａ２と同じ偏光状態の偏光ｂ２となる。偏光ｂ２は、偏光制御装置１を逆行すると、偏光制御装置１における光の伝搬方向に対する対称性の結果、直線偏光ａ１と同じ偏光状態の偏光ｂ１となる。偏光ｂ１は、ハーフミラーＨＭに反射されて反射光Ｒｒとなり、検出器等によって検出される。

図２１（ｂ）は、試料９が入射光の偏光状態に作用する物性を有する場合を示す。偏光ａ２は、偏光制御装置１によって、例えば、直線偏光ａ１を回転した光である。試料９によって反射されて対物レンズ９０を逆行した状態の偏光ｂ２は、試料９の影響を受けて、偏光ａ２とは異なる偏光状態になる。この偏光ｂ２は、偏光制御装置１を逆行しても、もとの直線偏光ａ１と同じ偏光状態にはならない。偏光ｂ１は、反射光Ｒｒとなり、検出器等によって検出される。反射光Ｒｒの偏光状態を調べることにより、試料９の光物性の情報を得ることができる。

上述の図２１（ｂ）における偏光制御装置１は、試料９からの戻り光に対してパッシブに動作する受動素子として機能している。すなわち、偏光制御装置１は、アクティブに動作して所望の光を生成する能動素子として用いることの他に、受動素子として用いることができる。このような機能を有する偏光制御装置１は、特定の偏光分布の光のみを検出する検出装置として用いることができる。この機能は、例えば、偏光制御装置１そのものの、組み立て時の位置調整や、適宜に行う較正手順の中で、効果的に用いることができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３を用いる場合、それぞれの液晶光学素子ＬＣは、各１枚で構成することに限られず、複数枚の液晶光学素子を重ねて構成してもよい。例えば液晶光学素子ＬＣ２の場合、位相差ηを２つの液晶光学素子によって分担して、最終的にη＝η１＋η２の位相差を発生させるようにしてもよい。

また、光学素子は、液晶光学素子に限られず、電気的に複屈折率を制御できる材料によって、それぞれ制御領域を形成して偏光制御装置を構成することができる。各光学素子による位相の制御や偏光状態制御の動作範囲が狭い場合、多数枚の光学素子を重ねて、偏光制御装置を構成すればよい。本願において、光軸の用語は、光学系において系全体を通過する光束の代表となる仮想的な光線を指す、一般的な意味で用いられている。

上述した偏光制御装置は、従来技術では不可能だった以下の特性を同時に満たす。すなわち、（１）既設装置に組み込み可能な小型、かつ低コストな装置であること、（２）機械的動作が必要ない電子制御の装置であること、（３）ジョーンズ法で記述できる全ての位相・偏光状態を液晶ディスプレイと同じ精細さでエンコードできること。

このような特性を有することから、本発明に係る技術は、光学顕微鏡とその関連機器、レーザ加工用機器に適用できる。また、光ビーム内での偏光分布をラジアル偏光やアジマス偏光だけでなく任意かつ動的に制御できるので、それぞれの用途に用いた場合に新たな機能を実現できる可能性がある。

１ 偏光制御装置
９９ 媒体
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｍ ジョーンズ行列
Ａ_ｉ ^ｊ ジョーンズ行列
Ｊ，Ｊ_ｉ ^ｊ 制御領域
ＬＣ，ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３ 液晶光学素子
Ｌｉ 光学素子（偏光素子）
Ｐｓ 偏光状態
Ｒ レーザ光
ｚ 光軸
ｚ＝ｚ_ｉｎ 光軸交差面（入射側）
ｚ＝ｚ_ｏｕｔ 光軸交差面（出射側）
α 配向方向、配向軸
θ 配向軸の回転角
ξ，η，ζ 位相差（位相遅れ）

Claims (9)

1. 光軸に沿って入射する入射光を、その光軸交差面の各部位ごとに偏光状態を制御された出射光に変換して出射する偏光制御装置において、
   光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、
   前記光学素子の各々は、前記光学素子の各々に入射する光をその光軸交差面の各部位において位相および偏光状態を制御できるようにするために、複数の制御領域に分割され、前記光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、
   前記制御領域の各々は、入射する光の偏光状態をジョーンズ行列に従って変換することを特徴とする偏光制御装置。
2. 前記光学素子は、ホモジニアス配向の液晶光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の偏光制御装置。
3. 前記液晶光学素子を光軸に沿って３つ備え、前記３つの液晶光学素子は、光の入射側から１番目と３番目の前記液晶光学素子の配向方向が一致し、２番目の前記液晶光学素子の配向方向が他の２つの前記液晶光学素子の配向方向に対して４５°傾いて、配置されていることを特徴とする請求項２に記載の偏光制御装置。
4. 前記光学素子は、同じ素子構造を有する前記制御領域をアレイ状に配置して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の偏光制御装置。
5. 前記制御領域は、前記光学素子の光軸を中心として放射状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の偏光制御装置。
6. 前記制御領域は、前記光学素子の光軸を中心として円環状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の偏光制御装置。
7. 請求項１に記載の偏光制御装置を用いて、入射光を光軸交差面の各部位ごとに制御された偏光状態に変換して出射する偏光制御方法において、
   前記光学素子を光軸に沿って３つ備え、
   光の入射側から１番目の前記光学素子に、直線偏光したレーザ光を入射させ、前記レーザ光が前記３つの光学素子の前記制御領域を順次通過する際に、
   前記１番目の光学素子においては、前記レーザ光に対し、前記制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、
   前記光の入射側から２番目の光学素子においては、前記レーザ光の偏光状態を、前記制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、
   前記光の入射側から３番目の光学素子においては、前記レーザ光の偏光状態を、前記制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換し、
   前記３番目の光学素子の前記制御領域のそれぞれにおいて楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を得ることを特徴とする偏光制御方法。
8. 出射光の偏光状態が、ラジアル偏光またはアジマス偏光であることを特徴とする請求項７に記載の偏光制御方法。
9. 前記出射光が、光学的異方性を有する媒体を通過した後に用いられる場合、前記制御領域に対し、前記媒体による偏光状態の変化を相殺させるようにすることを特徴とする請求項７に記載の偏光制御方法。